Ribozymy jsou molekuly RNA, které katalyzují chemické reakce. Většina biologických procesů neprobíhá spontánně. Například štěpení molekuly na dvě části nebo spojení dvou molekul do jedné větší molekuly vyžaduje katalyzátory , tedy pomocné molekuly, které urychlují průběh reakce. Většinu biologických katalyzátorů tvoří bílkoviny zvané enzymy. Po mnoho let vědci předpokládali, že samotné bílkoviny mají strukturní složitost potřebnou k tomu, aby mohly sloužit jako specifické katalyzátory v buňkách, ale kolem roku 1980 výzkumné skupiny Toma Čecha a Sidneyho Altmana nezávisle na sobě zjistily, že některé biologické katalyzátory jsou tvořeny RNA. Tito dva vědci byli za svůj objev v roce 1989 oceněni Nobelovou cenou za chemii.
Struktura a funkce
Katalyzátory RNA zvané ribozymy se nacházejí v jádře, mitochondriích a chloroplastech eukaryotických organismů. Některé viry, včetněněkolika bakteriálních virů, mají také ribozymy. Dosud objevené ribozymy lze rozdělit do různých chemických typů, ale ve všech případech je RNA spojena s ionty kovů, jako je hořčík (Mg2+) nebo draslík (K+), které hrají důležitou roli při katalýze. Téměř všechny ribozymy se podílejí na zpracování RNA. Působí buď jako molekulární nůžky, které štěpí prekurzorové řetězce RNA (řetězce, které tvoří základ nového řetězce RNA), nebo jako „molekulární sešívačky“, které spojují dvě molekuly RNA dohromady. Ačkoli většina cílů ribozymů je RNA, existují nyní velmi přesvědčivé důkazy, že spojování aminokyselin do proteinů, ke kterému dochází na ribozomu během translace , je rovněž katalyzováno RNA. Samotná ribozomální RNA je tedy také ribozym.
V některých reakcích katalyzovaných ribozymy jsou procesy štěpení a vazby RNA propojeny. V takovém případě se řetězec RNA štěpí na dvou místech a prostřední část (nazývaná intron) je vyřazena, zatímco dvě sousední části RNA (nazývané exony) jsou spolu svázány. Tato reakce se nazývá sestřih. Kromě ribozymem zprostředkovaného sestřihu, který zahrnuje samotnou RNA, existují některé sestřihové reakce, které zahrnují komplexy RNA a bílkovin. Tyto komplexy se nazývají malé jaderné ribonukleoproteinové částice, zkráceně snRNP. Tato třída sestřihu je velmi běžným rysem zpracování messengerové RNA (mRNA) u „vyšších“ eukaryot, jako je člověk. Zatím není známo, zda je sestřih zprostředkovaný snRNP katalyzován složkami RNA. Všimněte si také, že některé reakce sestřihu RNA jsou katalyzovány enzymy tvořenými pouze bílkovinami.
Některé prekurzorové molekuly RNA mají ribozym zabudovaný ve vlastním intronu a tento ribozym je zodpovědný za odstranění intronu, ve kterém se nachází. Ty se nazývají samosplikující se RNA. Po dokončení sestřihové reakce je intron včetně ribozymu odbourán. V těchto případech pracuje každý ribozym pouze jednou, na rozdíl od proteinových enzymů, které katalyzují reakci opakovaně. Příkladem samosplikovaných RNA jsou ribozomální RNA řasnatých prvoků a některé mRNA kvasinkových mitochondrií.
Některé RNA viry, například virus hepatitidy delta, také obsahují ribozym jako součást své dědičné molekuly RNA. Během replikace virové RNA se syntetizují dlouhá vlákna obsahující opakování genomu RNA (virové genetické informace). Ribozym pak štěpí dlouhé multimerní molekuly na kousky, které obsahují jednu kopii genomu, a tento kousek RNA vměstná do virové částice.
Další ribozymy působí na jiné molekuly RNA. Jedním z ribozymů tohoto typu je RNáza P, která se skládá z jednoho řetězce RNA a jednoho nebo více proteinů (v závislosti na organismu). Katalytický mechanismus RNázy P byl zvláště dobře prostudován u bakterií. Tento ribozym zpracovává prekurzor přenosové RNA (tRNA) odstraněním prodloužení z 5-primárního konce, čímž vznikne 5-primární konec „zralé“ tRNA (oba konce molekuly RNA jsou chemicky odlišné a nazývají se 5-primární a 3-primární konec, což odkazuje na specifické uhlíky v cukerné části koncových nukleotidů). Když je molekula RNA z bakteriální RNázy P očištěna od svého proteinu, může stále štěpit svůj prekurzor tRNA cíl, i když velmi pomalou rychlostí, což dokazuje, že RNA je katalyzátorem. Nicméně protein(y) v RNáze P má také důležité funkce, jako je udržování správné konformace RNázy P RNA a interakce s prekurzorem tRNA.
Relikty „světa RNA“
Mnoho biologů předpokládá, že ribozymy jsou pozůstatky dávného, prebiotického světa, který předcházel evoluci proteinů. V tomto „světě RNA“ byly RNA katalyzátory takových funkcí, jako je replikace, štěpení a vazba molekul RNA. Předpokládá se, že bílkoviny se vyvinuly později, a jak se vyvíjely, převzaly funkce, které dříve vykonávaly molekuly RNA. K tomu mohlo dojít proto, že proteiny jsou ve svých katalytických funkcích univerzálnější a účinnější.
V dnešním světě většinu zpracování prekurzorů tRNA provádí ribozym RNáza P, jak je popsáno výše, ale v některých chloroplastech tuto funkci vykonává protein, který zřejmě neobsahuje žádnou RNA. To může být příklad evoluce bílkovinných enzymů, které nahrazují ribozymy.
Intenzivní studium ribozymů poskytlo pravidla, jak rozpoznávají své cíle. Na základě těchto pravidel bylo možné upravit ribozymy tak, aby rozpoznávaly a štěpily nové cíle v molekulách RNA, které normálně štěpení ribozymy nepodléhají. Tyto výsledky přinášejí vzrušující možnost využití ribozymů pro lidskou terapii. Pomocí umělých ribozymů by například bylo možné snížit množství molekul RNA způsobujících nemoci, jako je virus HIV, který je příčinou AIDS. Značného úspěchu bylo dosaženo při testování těchto ribozymů na modelových buňkách. Největší otázkou, kterou zbývá vyřešit, je však způsob, jakým lze tyto potenciální ribozymy „bojující s nemocemi“ zavést do těla pacienta a přijmout je příslušnými buňkami.
viz také Evoluce, molekulární; Proteiny; RNA; Zpracování RNA.
Lasse Lindahl
Bibliografie
Cech, T. R. „RNA jako enzym“. Scientific American 255 (1986): 64-75.
Karp, Gerald. Cell and Molecular Biology, 3. vydání, New York: John Wiley & Sons, 2002.